戶谷友則（Tomonori Totani，1971年11月21日—），東京大學(xué)天文系教授。圖源：https://sites.google.com/view/tomonori-totani

導(dǎo)讀：

日本天文學(xué)家家戶谷友則最近聲稱可能探測到了暗物質(zhì)。這是怎么回事？如何證明這是真的或假的呢？

瞿立建｜撰文

11月26日，日本東京大學(xué)發(fā)布了一篇新聞稿，標(biāo)題是：100年來，科學(xué)家可能首次探測到暗物質(zhì)。哇，很重磅。雖然很克制地用了“可能”一詞，我們還是不妨了解一下，看看到底是怎么回事。

東京大學(xué)新聞稿通報的這項(xiàng)研究，已經(jīng)發(fā)表于同行評議期刊Journal of Cosmology and Astroparticle Physics上，作者只有一位，東京大學(xué)天文學(xué)家戶谷友則（Tomonori Totani）。

SAIXIANSHENG

暗物質(zhì)

物理學(xué)中未解決的最重大問題之一

“暗物質(zhì)”這個自帶神秘色彩的術(shù)語，是加州理工學(xué)院教授弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky，1898年2月14日—1974年2月8日）在1933年提出來的。

里茨·茲威基（Fritz Zwicky，1898年2月14日—1974年2月8日），瑞士裔美國天文學(xué)家，加州理工學(xué)院教授，在理論和觀測天文學(xué)上，包括超新星、星系團(tuán)等方面做出了重要的貢獻(xiàn)。

茲威基分析后發(fā)座星系團(tuán)的天文數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)星系環(huán)繞星系團(tuán)中心轉(zhuǎn)動的速度大的驚人，星系團(tuán)中的發(fā)光物質(zhì)總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以提供相應(yīng)的向心力。茲威基提出，星系團(tuán)中還存在一種不發(fā)光的物質(zhì)，并將其命名為“暗物質(zhì)”（德語為dunkle Materie，Helvetica Physica Acta, 1933, 6, 110–127）。

根據(jù)天文觀測數(shù)據(jù)生成的發(fā)座星系團(tuán)圖像。后發(fā)座是唯一一個以歷史人物命名的星座，“后發(fā)”的意思是埃及法老托勒密三世的王后的頭發(fā)。星系團(tuán)是星系在引力的作用下結(jié)成的集合體。

茲威基提出的暗物質(zhì)概念并沒有立即產(chǎn)生太大影響。直到1970年代，天文學(xué)家對衛(wèi)星星系（即在大質(zhì)量星系附近的小質(zhì)量星系）進(jìn)行觀測后發(fā)現(xiàn)，只有假設(shè)存在額外的看不見的物質(zhì)才能夠解釋它們的運(yùn)動。自此，天文學(xué)家才開始對暗物質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)肅的探討。

暗物質(zhì)的地位真正得到鞏固，是因?yàn)槊绹煳膶W(xué)家薇拉·魯賓（Vera Rubin，1928年7月23日—2016年12月25日）的工作。1970年年代，魯賓發(fā)現(xiàn)，從距離星系中心稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方開始，不管恒星距離星系中心有多遠(yuǎn)，它們圍繞星系中心公轉(zhuǎn)的速度幾乎是一樣的！在星系幾乎空無一物的邊遠(yuǎn)地區(qū)的孤立的恒星和氣體云的公轉(zhuǎn)速度應(yīng)隨距離增大而減小，然而并沒有。最自然的解釋是，存在暗物質(zhì)，是暗物質(zhì)的引力讓星系外圍的遙遠(yuǎn)恒星維持著遠(yuǎn)超預(yù)期的公轉(zhuǎn)速度，如果沒有暗物質(zhì)，那里的恒星將飛出星系。魯賓給出了當(dāng)時有關(guān)暗物質(zhì)的最強(qiáng)證據(jù)。（魯賓的這一發(fā)現(xiàn)，也有其他解釋，比如修改萬有引力定律。）

薇拉·魯賓（英語：Vera Rubin，1928年7月23日—2016年12月25日），美國天文學(xué)家，給出了暗物質(zhì)強(qiáng)有力的證據(jù)，被譽(yù)為“暗物質(zhì)之母”。

星系轉(zhuǎn)速。左：無暗物質(zhì)，右：有暗物質(zhì)。圖 源：維基百科

從那時起，關(guān)于暗物質(zhì)存在的證據(jù)變得越來越強(qiáng)（如引力透鏡效應(yīng)、子彈星系團(tuán)等，有些證據(jù)不是修改萬有引力定律所能解釋的，不再贅述），它在宇宙中所占比例被測量得越來越精確，是我們熟悉的普通物質(zhì)的5倍之多。說我們的物質(zhì)“普通”并不合適，因?yàn)樗鼈冊谟钪嬷衅鋵?shí)相當(dāng)罕見。

宇宙組成餅狀圖

天文學(xué)家們指出，我們其實(shí)就生活在暗物質(zhì)中，整個銀河系也浸泡在一個巨大、透明的暗物質(zhì)“泡泡”——稱為暗物質(zhì)暈——里面。我們沒有感覺到暗物質(zhì)的存在，就像魚兒感覺不到水的存在一樣。這是因?yàn)榘滴镔|(zhì)遵守與普通物質(zhì)一樣的引力規(guī)律，但它并沒有能讓我們探測到它的其他作用。暗物質(zhì)不發(fā)光，不吸收光，也不反射和散射光，用任何波段的探測器或望遠(yuǎn)鏡都無法觀察到。暗物質(zhì)也不參與強(qiáng)和弱相互作用。

物理學(xué)家為直接探測暗物質(zhì)已經(jīng)和正在進(jìn)行了諸多努力，目前還未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的確鑿信號。

戶谷友則教授說，我們可能已經(jīng)探測到了暗物質(zhì)。

SAIXIANSHENG

戶谷友則教授如何探測暗物質(zhì)？

物理學(xué)家普遍認(rèn)為，暗物質(zhì)由一種新的基本粒子組成。物理學(xué)家們也提出了多種候選粒子，其中最被看好的粒子是弱相互作用大質(zhì)量粒子（weakly interacting massive particle, WIMP），因?yàn)榛谶@種粒子的宇宙模型與天文觀測最為符合。WIMP的名字體現(xiàn)著其性質(zhì)，它與普通物質(zhì)間有很弱的相互作用，其質(zhì)量比普通物質(zhì)的基本粒子要大。

對于普通物質(zhì)，粒子與反粒子相遇會發(fā)生湮滅并產(chǎn)生光子或其他粒子，WIMP與它的反粒子相遇也會發(fā)生類似的事情。

探測WIMP湮滅之后的產(chǎn)物是探測WIMP最有希望的方法之一。

在很多理論模型中，WIMP的反粒子就是它自身，兩個WIMP湮滅后，產(chǎn)物粒子經(jīng)過一系列變化后，最終會產(chǎn)生伽馬射線。多年來，研究人員通過天文觀測，將目標(biāo)鎖定在暗物質(zhì)集中的區(qū)域，例如銀河系中心、矮星系、星系團(tuán)，以尋找具有某些特征的伽馬射線，例如信號強(qiáng)度分布與暗物質(zhì)分布對應(yīng)，信號譜線有某個特定的峰，等等。

2008年，美國將費(fèi)米大面積望遠(yuǎn)鏡（Fermi Large Area Telescope），它的使命之一就是探測暗物質(zhì)。從這臺望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)中，戶谷友則教授看到了疑似WIMP湮滅產(chǎn)生的伽馬射線信號。

費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）藝術(shù)圖。此望遠(yuǎn)鏡是用來進(jìn)行大面積巡天以研究天文物理或宇宙論現(xiàn)象，如活動星系核、脈沖星、其他高能輻射來源和暗物質(zhì)。

SAIXIANSHENG

戶谷友則教授分析出了什么？

戶谷友則教授分析了費(fèi)米大面積望遠(yuǎn)鏡2008年至2023年這15年的公開數(shù)據(jù)。他感興趣的是銀河系外圍，而非銀河系中心。銀河系中心暗物質(zhì)密度雖然大，但那里成分復(fù)雜，是噪聲“地獄”，而銀河系外圍背景最少、噪聲最低，暗物質(zhì)有一個平滑的球形分布。

戶谷友則教授處理了銀河系外圍處輻射的伽馬射線信號，去除所有可能的已知來源，發(fā)現(xiàn)依然有一層淡淡的伽馬射線光殼包圍著銀河系，這層光殼的能量峰值是20GeV。

因此，戶谷友則教授說，這就是暗物質(zhì)存在的證據(jù)！

伽馬射線光殼呈現(xiàn)極為圓滑、均勻的球形分布。它的亮度隨著到銀河中心的距離的增大而逐漸下降，下降的方式與暗物質(zhì)分布模型非常接近。20 GeV的能量峰值，正好落在許多暗物質(zhì)湮滅理論預(yù)言的范圍內(nèi)。

暗物質(zhì)，也許正在用一圈微弱卻真實(shí)的伽馬射線，向我們透露自己的存在。

戶谷友則教授在新聞通稿中說：“如果這項(xiàng)研究是正確，據(jù)我所知，這將是人類首次‘觀測’到暗物質(zhì)，并表明，暗物質(zhì)是一種尚未被納入當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子。這標(biāo)志著天文學(xué)和物理學(xué)的一項(xiàng)重大進(jìn)展?！?/p>

不過，論文并沒有宣布說探測到了暗物質(zhì)，而是說，這是一種與暗物質(zhì)預(yù)期相符的信號，但也可能來自未知的天體物理過程。只是目前來看，暗物質(zhì)是最佳解釋。

那么，要如何確認(rèn)所得伽馬射線信號真的來自暗物質(zhì)？

首先，別的團(tuán)隊(duì)要能重復(fù)出本論文的工作。

其次，要排除過度擬合的嫌疑。戶谷友則教授扣除已知來源的伽馬射線背景，得到了特別的伽馬射線信號。這里面就很有操作空間，不同的背景模型會得到大相徑庭的結(jié)果，特意湊出一個球形分布，也不算難事。這就需要用各種合理的背景模型重做本文的分析，看看信號是否一直存在。

再次，建造更先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，做更精確的觀測，比如切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（Cherenkov Telescope Array Observatory），這是新一代地面伽馬射線儀器。

或者，用其他方面的研究進(jìn)行交叉驗(yàn)證。

SAIXIANSHENG

如果戶谷友則教授錯了呢？

即便本研究被證偽也沒什么大不了，畢竟暗物質(zhì)探測研究出過多次烏龍了。

本研究的結(jié)論即便錯了，它也是有價值的。

如果本研究是錯的，會有助于提出更準(zhǔn)確的背景模型，會成為“警示案例”：告訴我們暗物質(zhì)搜索中哪些細(xì)節(jié)不能忽略。

一個好的科學(xué)研究不是給出絕對正確的答案，而是：

● 提出一個清晰的問題

● 給出可以檢驗(yàn)的預(yù)測

● 設(shè)計一套可復(fù)現(xiàn)的方法

● 鼓勵他人進(jìn)行檢驗(yàn)

這篇論文發(fā)現(xiàn)，銀河系外圍有一個球形、20 GeV 的伽馬射線結(jié)構(gòu)，與暗物質(zhì)暈的幾何形狀一致。這是明確定義的、可直接檢驗(yàn)的結(jié)論。未來，其他團(tuán)隊(duì)可以立即著手證實(shí)或證偽。如果最終被證偽，它也拓寬了科學(xué)視野，明晰了問題邊界。

科學(xué)評價重要的不是“對或錯”，更在于“是否推動進(jìn)步”?？茖W(xué)史上大大小小的進(jìn)展，就是通過對對錯錯的研究一步一步推進(jìn)的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 東京大學(xué)的新聞通稿：

https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00433.html

[2] 戶谷友則教授論文：

Tomonori Totani JCAP11(2025)080DOI10.1088/1475-7516/2025/11/080

本文轉(zhuǎn)載自《賽先生》微信公眾號

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